Zintegrowana fotonika kwantowa

Zintegrowana fotonika kwantowa wykorzystuje fotoniczne układy scalone do kontrolowania fotonicznych stanów kwantowych do zastosowań w technologiach kwantowych . Jako taka, zintegrowana fotonika kwantowa zapewnia obiecujące podejście do miniaturyzacji i zwiększania skali optycznych obwodów kwantowych . Głównym zastosowaniem zintegrowanej fotoniki kwantowej jest technologia kwantowa : na przykład obliczenia kwantowe , komunikacja kwantowa , symulacja kwantowa , spacery kwantowe i metrologii kwantowej .

Historia

Optyka liniowa nie była postrzegana jako potencjalna platforma technologiczna do obliczeń kwantowych aż do przełomowej pracy Knill, Laflamme i Milburn, która wykazała wykonalność liniowych optycznych komputerów kwantowych wykorzystujących wykrywanie i sprzężenie zwrotne do tworzenia deterministycznych dwukubitowych bramek. Następnie przeprowadzono kilka eksperymentalnych demonstracji zasad działania dwukubitowych bramek wykonanych w optyce masowej. Wkrótce stało się jasne, że zintegrowana optyka może zapewnić potężną technologię wspomagającą dla tej rozwijającej się dziedziny. Wczesne eksperymenty z optyką zintegrowaną wykazały wykonalność pola poprzez demonstracje nieklasycznej i klasycznej interferencji o wysokiej widzialności. Zazwyczaj liniowe komponenty optyczne, takie jak sprzęgacze kierunkowe (które działają jako rozdzielacze wiązki między trybami falowodu) i przesuwniki fazowe w celu utworzenia zagnieżdżonych interferometrów Macha-Zehndera, są używane do kodowania kubitu w przestrzennym stopniu swobody. Oznacza to, że pojedynczy foton znajduje się w super pozycji między dwoma falowodami, gdzie stan zero i jeden kubitu odpowiada obecności fotonu w jednym lub drugim falowodzie. Te podstawowe składniki są łączone w celu uzyskania bardziej złożonych struktur, takich jak splątane bramki i rekonfigurowalne obwody kwantowe. Możliwość rekonfiguracji uzyskuje się poprzez dostrojenie przesuwników fazowych, które wykorzystują efekty termo- lub elektrooptyczne.

Innym obszarem badań, w którym zintegrowana optyka okaże się kluczowa w jej rozwoju, jest komunikacja kwantowa i została naznaczona szeroko zakrojonymi pracami eksperymentalnymi, demonstrującymi na przykład dystrybucję klucza kwantowego (QKD), przekaźniki kwantowe oparte na zamianie splątania i wzmacniacze kwantowe.

Od narodzin zintegrowanej optyki kwantowej eksperymenty obejmowały zarówno demonstracje technologiczne, na przykład zintegrowane źródła pojedynczych fotonów i zintegrowane detektory pojedynczych fotonów , jak i podstawowe testy natury, nowe metody dystrybucji klucza kwantowego i generowanie nowych kwantowych stanów światła. Wykazano również, że pojedyncze rekonfigurowalne zintegrowane urządzenie jest wystarczające do wdrożenia pełnego zakresu optyki liniowej za pomocą rekonfigurowalnego uniwersalnego interferometru.

Wraz z postępem w tej dziedzinie opracowano nowe algorytmy kwantowe, które zapewniają krótko- i długoterminowe ścieżki prowadzące do wykazania wyższości komputerów kwantowych nad ich klasycznymi odpowiednikami. Obliczenia kwantowe stanu klastra są obecnie ogólnie akceptowane jako podejście, które zostanie wykorzystane do opracowania pełnoprawnego komputera kwantowego. Podczas gdy rozwój komputera kwantowego będzie wymagał syntezy wielu różnych aspektów zintegrowanej optyki, próbkowania bozonów stara się zademonstrować moc kwantowego przetwarzania informacji za pomocą łatwo dostępnych technologii i dlatego jest bardzo obiecującym algorytmem do tego celu. W rzeczywistości krótko po jego propozycji przeprowadzono kilka eksperymentalnych demonstracji algorytmu próbkowania bozonu na małą skalę

Wstęp

Fotonika kwantowa to nauka o generowaniu, manipulowaniu i wykrywaniu światła w reżimach, w których możliwe jest spójne sterowanie poszczególnymi kwantami pola świetlnego (fotonami). Historycznie rzecz biorąc, fotonika kwantowa była fundamentalna dla badania zjawisk kwantowych, na przykład za pomocą paradoksu EPR i eksperymentów testowych Bella . Oczekuje się również, że fotonika kwantowa odegra kluczową rolę w rozwoju przyszłych technologii, takich jak obliczenia kwantowe , dystrybucja klucza kwantowego i metrologia kwantowa . Fotony są szczególnie atrakcyjnymi nośnikami informacji kwantowej ze względu na ich niską dekoherencję, transmisję z prędkością światła i łatwość manipulacji. Eksperymenty z fotoniką kwantową tradycyjnie obejmowały technologię „optyki masowej” — pojedyncze komponenty optyczne (soczewki, rozdzielacze wiązki itp.) zamontowane na dużym stole optycznym o łącznej masie setek kilogramów.

Zintegrowana fotonika kwantowa Zastosowanie technologii fotonicznych układów scalonych w fotonice kwantowej i postrzegane jako ważny krok w rozwoju użytecznej technologii kwantowej. Chipy fotoniczne mają następujące zalety w porównaniu z optyką masową:

Miniaturyzacja - rozmiar, waga i zużycie energii są zmniejszone o rząd wielkości dzięki mniejszym rozmiarom systemu.
Stabilność - zminiaturyzowane komponenty wyprodukowane przy użyciu zaawansowanych technik litograficznych wytwarzają falowody i komponenty, które są z natury stabilne fazowo (spójne) i nie wymagają optycznego wyrównania
Rozmiar eksperymentu — w urządzeniu o powierzchni kilku centymetrów kwadratowych można zintegrować dużą liczbę elementów optycznych.
Możliwość produkcji — urządzenia mogą być produkowane masowo przy bardzo niewielkim wzroście kosztów.

Opierając się na dobrze rozwiniętych technikach wytwarzania, elementy stosowane w zintegrowanej fotonice kwantowej łatwiej miniaturyzować, a produkty oparte na tym podejściu można wytwarzać przy użyciu istniejących metod produkcji.

Materiały

Kontrolę nad fotonami można uzyskać za pomocą zintegrowanych urządzeń, które można zrealizować na różnych platformach materiałowych, takich jak krzemionka, krzem , arsenek galu , niobian litu i fosforek indu oraz azotek krzemu .

Krzemionka

Trzy metody wykorzystania krzemionki:

Hydroliza płomieniowa.
Fotolitografia .
Zapis bezpośredni - wykorzystuje tylko jeden materiał i laser (użyj sterowanego komputerowo lasera, aby uszkodzić szkło i ruch poprzeczny użytkownika oraz skupić się na zapisie ścieżek o wymaganych współczynnikach załamania światła w celu wytworzenia falowodów). Ta metoda ma tę zaletę, że nie wymaga czystego pomieszczenia. Jest to obecnie najpowszechniejsza metoda wytwarzania falowodów krzemionkowych i doskonale nadaje się do szybkiego prototypowania. Został również użyty w kilku demonstracjach fotoniki topologicznej.

Głównymi wyzwaniami platformy krzemionkowej są niski kontrast współczynnika załamania światła, brak aktywnego dostrajania po wyprodukowaniu (w przeciwieństwie do wszystkich innych platform) oraz trudność masowej produkcji z powtarzalnością i wysoką wydajnością ze względu na seryjny charakter procesu inskrypcji . Niedawne prace wykazały możliwość dynamicznej rekonfiguracji tych krzemionkowych urządzeń za pomocą grzejników, aczkolwiek wymagających umiarkowanie dużej mocy.

Krzem

Dużą zaletą stosowania krzemu jest to, że obwody można aktywnie dostrajać za pomocą zintegrowanych mikrogrzejników termicznych lub modulatorów pinowych , po wyprodukowaniu urządzeń. Inną dużą zaletą krzemu jest jego kompatybilność z CMOS , która pozwala wykorzystać dojrzałą infrastrukturę produkcyjną przemysłu elektroniki półprzewodnikowej. Struktury różnią się od współczesnych konstrukcji elektronicznych, jednak są łatwo skalowalne. Krzem ma naprawdę wysoki współczynnik załamania światła wynoszący ~3,5 przy długości fali 1550 nm, powszechnie stosowanej w telekomunikacji optycznej . Dzięki temu oferuje jedną z najwyższych gęstości komponentów w zintegrowanej fotonice. Duży kontrast współczynnika załamania światła z klasą (1,44) sprawia, że falowody utworzone z krzemu otoczonego szkłem mają bardzo ciasne zagięcia, co pozwala na dużą gęstość elementów i zmniejszenie rozmiarów układu. Duże płytki typu krzem na izolatorze (SOI) o średnicy do 300 mm można kupić w handlu, dzięki czemu technologia jest zarówno dostępna, jak i powtarzalna. Wiele największych systemów (do kilkuset komponentów) zostało zademonstrowanych na krzemowej platformie fotonicznej, z maksymalnie ośmioma fotonami jednocześnie, generowaniem stanów grafów (stany klastrów) i do 15 wymiarowych quditów ). Źródła fotonów w krzemowych obwodach falowodowych wykorzystują nieliniowość krzemu trzeciego rzędu do wytwarzania par fotonów w spontanicznym mieszaniu czterech fal. Krzem jest nieprzezroczysty dla długości fal światła poniżej ~ 1200 nm, co ogranicza zastosowanie do fotonów w podczerwieni. Modulatory fazy oparte na fazach termooptycznych i elektrooptycznych są charakterystycznie odpowiednio wolne (KHz) i stratne (kilka dB), co ogranicza zastosowania i możliwość wykonywania pomiarów ze sprzężeniem zwrotnym do obliczeń kwantowych)

Niobian litu

Niobian litu oferuje dużą nieliniowość optyczną drugiego rzędu , umożliwiając generowanie par fotonów poprzez spontaniczną parametryczną konwersję w dół . Można to również wykorzystać do manipulowania fazą i przeprowadzania konwersji trybu przy dużych prędkościach, a także zaoferować obiecującą drogę do sprzężenia zwrotnego dla obliczeń kwantowych, multipleksowanych (deterministycznych) źródeł pojedynczych fotonów). W przeszłości falowody definiowano za pomocą indyfuzji tytanu, co skutkowało dużymi falowodami (promień gięcia w cm), ale niedawny postęp w przetwarzaniu umożliwił cienkowarstwowe falowody z niobianem litu, które obecnie oferują konkurencyjne straty i gęstość, przewyższające krzem.

III-V Materiały na izolatorze

Światłowody fotoniczne wykonane z materiałów grupy III-V na izolatorze, takich jak (Al)GaAs i InP, zapewniają jedne z największych nieliniowości drugiego i trzeciego rzędu, kontrast o dużym współczynniku załamania światła zapewniający duże ograniczenie modalne i szerokie optyczne przerwy wzbronione skutkujące znikomą dwu- absorpcja fotonów na długościach fal telekomunikacyjnych. Materiały III-V są zdolne do tworzenia pasywnych i szybkich elementów aktywnych o niskich stratach, takich jak aktywne wzmocnienie laserów na chipie, szybkie modulatory elektrooptyczne (efekty Pockelsa i Kerra) oraz detektory na chipie. W porównaniu z innymi materiałami, takimi jak krzemionka, krzem i azotek krzemu, duża nieliniowość optyczna jednocześnie z niskimi stratami falowodu i ścisłym ograniczeniem modalnym zaowocowała generowaniem ultrajasnych par splątanych fotonów z rezonatorów mikropierścieniowych.

Produkcja

Konwencjonalne technologie wytwarzania oparte są na procesach fotolitograficznych , które umożliwiają silną miniaturyzację i masową produkcję. W zastosowaniach optyki kwantowej istotną rolę odegrało również bezpośrednie opisywanie obwodów laserami femtosekundowymi lub laserami UV; są to technologie produkcji seryjnej, które są szczególnie wygodne do celów badawczych, gdzie nowe projekty muszą być testowane z szybkim cyklem produkcyjnym.

Jednak falowody pisane laserowo nie nadają się do masowej produkcji i miniaturyzacji ze względu na seryjny charakter techniki inskrypcji oraz ze względu na bardzo niski kontrast współczynnika załamania światła, na jaki pozwalają te materiały, w przeciwieństwie do krzemowych obwodów fotonicznych. Obwody kwantowe napisane laserem femtosekundowym okazały się szczególnie przydatne do manipulowania stopniem swobody polaryzacji oraz do budowania obwodów o innowacyjnym trójwymiarowym projekcie. Informacje kwantowe jest zakodowany na chipie w ścieżce, polaryzacji, przedziale czasu lub stanie częstotliwości fotonu i manipulowany za pomocą aktywnych zintegrowanych komponentów w zwarty i stabilny sposób.

składniki

Chociaż w kwantach stosowane są te same podstawowe komponenty, co w klasycznych fotonicznych układach scalonych , istnieją również pewne praktyczne różnice. Ponieważ amplifikacja stanów kwantowych pojedynczego fotonu nie jest możliwa ( twierdzenie o braku klonowania ), utrata jest najwyższym priorytetem w elementach fotoniki kwantowej.

Źródła pojedynczych fotonów zbudowane są z elementów budulcowych (falowody, sprzęgacze kierunkowe, przesuwniki fazowe). Zazwyczaj optyczne rezonatory pierścieniowe i długie sekcje falowodowe zapewniają zwiększoną nieliniową interakcję dla generowania par fotonów, chociaż poczyniono również postępy w integracji systemów półprzewodnikowych z pojedynczymi źródłami fotonów opartymi na kropkach kwantowych i centrami wakansów azotu z falowodowymi obwodami fotonicznymi.

Zobacz też

Linki zewnętrzne